Object是什么

本文轉載自查看原文 2017-01-05 22:33 2118 [27]NET Core

Object是什么

.Net程序員們每天都在和Object在打交道
如果你問一個.Net程序員什么是Object，他可能會信誓旦旦的告訴你"Object還不簡單嗎，就是所有類型的基類"
這個答案是對的，但是不足以說明Object真正是什么

在這篇文章我們將會通過閱讀CoreCLR的源代碼了解Object在內存中的結構和實際到內存中瞧瞧Object

Object在內存中的結構

為了便於理解后面的內容，我先用一張圖說明Object在內存中的結構

.Net中的Object包含了這三個部分

指向頭部的指針
指向類型信息的指針
字段內容

微軟有一張更全的圖（說明的是.Net Framework的結構，但是基本和.Net Core一樣)

Object的源代碼解析

Object的定義(摘要)
源代碼: https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/src/vm/object.h

class Object { PTR_MethodTable m_pMethTab; }

PTR_MethodTable的定義，DPTR是一個指針的包裝類，你可以先理解為MethodTable*的等價
源代碼: https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/src/vm/common.h

typedef DPTR(class MethodTable) PTR_MethodTable;

在Object的定義中我們只看到了一個成員，這個成員就是指向類型信息的指針，那其他兩個部分呢？

這是獲取指向頭部的指針的函數，我們可以看到這個指針剛好放在了Object的前面

PTR_ObjHeader GetHeader() { LIMITED_METHOD_DAC_CONTRACT; return dac_cast<PTR_ObjHeader>(this) - 1; }

這是獲取字段內容的函數，我們可以看到字段內容剛好放在了Object的后面

PTR_BYTE GetData(void) { LIMITED_METHOD_CONTRACT; SUPPORTS_DAC; return dac_cast<PTR_BYTE>(this) + sizeof(Object); }

我們可以看到Object中雖然只定義了指向類型信息的指針，但運行時候前面會帶指向頭部的指針，並且后面會帶字段內容
Object在內存中擁有不定的長度，並且起始地址是分配到的內存地址+一個指針的大小
Object結構比較特殊，所以這個對象的生成也需要特殊的處理，關於Object的生成我將在后面的篇幅中介紹

Object中定義的m_pMethTab還保存了額外的信息，因為這是一個指針值，所以總會以4或者8對齊，這樣最后兩個bit會總是為0
.Net利用了這兩個閑置的bit，分別用於保存GC Pinned和GC Marking，關於這里我也將在后面的篇幅中介紹

ObjHeader的源代碼解析

ObjHeader的定義(摘要)
源代碼: https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/src/vm/syncblk.h

class ObjHeader { // !!! Notice: m_SyncBlockValue *MUST* be the last field in ObjHeader. #ifdef _WIN64 DWORD m_alignpad; #endif // _WIN64 Volatile<DWORD> m_SyncBlockValue; // the Index and the Bits }

m_alignpad是用於對齊的（讓m_SyncBlockValue在后面4位），值應該為0
m_SyncBlockValue的前6位是標記，后面26位是對應的SyncBlock在SyncBlockCache中的索引
SyncBlock的作用簡單的來說就是用於線程同步的，例如下面的代碼會用到SyncBlock

var obj = new object(); lock (obj) { }

ObjHeader只包含了SyncBlock，所以你可以看到有的講解Object結構的文章中會用SyncBlock代替ObjHeader
關於SyncBlock更具體的講解還可以查看這篇文章

MethodTable的源代碼解析

MethodTable的定義(摘要)
源代碼: https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/src/vm/methodtable.h

class MethodTable { // Low WORD is component size for array and string types (HasComponentSize() returns true). // Used for flags otherwise. DWORD m_dwFlags; // Base size of instance of this class when allocated on the heap DWORD m_BaseSize; WORD m_wFlags2; // Class token if it fits into 16-bits. If this is (WORD)-1, the class token is stored in the TokenOverflow optional member. WORD m_wToken; // <NICE> In the normal cases we shouldn't need a full word for each of these </NICE> WORD m_wNumVirtuals; WORD m_wNumInterfaces; #ifdef _DEBUG LPCUTF8 debug_m_szClassName; #endif //_DEBUG // Parent PTR_MethodTable if enum_flag_HasIndirectParent is not set. Pointer to indirection cell // if enum_flag_enum_flag_HasIndirectParent is set. The indirection is offset by offsetof(MethodTable, m_pParentMethodTable). // It allows casting helpers to go through parent chain natually. Casting helper do not need need the explicit check // for enum_flag_HasIndirectParentMethodTable. TADDR m_pParentMethodTable; PTR_Module m_pLoaderModule; // LoaderModule. It is equal to the ZapModule in ngened images PTR_MethodTableWriteableData m_pWriteableData; union { EEClass * m_pEEClass; TADDR m_pCanonMT; }; // m_pPerInstInfo and m_pInterfaceMap have to be at fixed offsets because of performance sensitive // JITed code and JIT helpers. However, they are frequently not present. The space is used by other // multipurpose slots on first come first served basis if the fixed ones are not present. The other // multipurpose are DispatchMapSlot, NonVirtualSlots, ModuleOverride (see enum_flag_MultipurposeSlotsMask). // The multipurpose slots that do not fit are stored after vtable slots. union { PTR_Dictionary * m_pPerInstInfo; TADDR m_ElementTypeHnd; TADDR m_pMultipurposeSlot1; }; union { InterfaceInfo_t * m_pInterfaceMap; TADDR m_pMultipurposeSlot2; }; // 接下來還有一堆OPTIONAL_MEMBERS，這里省去介紹 }

這里的字段非常多，我將會在后面的篇幅一一講解，這里先說明MethodTable中大概有什么信息

類型的標記，例如StaticsMask_Dynamic和StaticsMask_Generics等 (m_dwFlags)
- 如果類型是字符串或數組還會保存每個元素的大小(ComponentSize)，例如string是2 int[100]是4
類型需要分配的內存大小 (m_BaseSize)
類型信息，例如有哪些成員和是否接口等等 (m_pCanonMT)

可以看出這個類型就是用於保存類型信息的，反射和動態Cast都需要依賴它

實際查看內存中的Object

對Object的初步分析完了，可分析對了嗎？讓我們來實際檢查一下內存中Object是什么樣子的
VisualStudio有反編譯和查看內存的功能，如下圖

這里我定義了MyClass和MyStruct類型，先看Console.WriteLine(myClass)
這里把第一個參數設置到rcx並且調用Console.WriteLine函數，為什么是rcx請看查看參考鏈接中對fastcall的介紹
rbp + 0x50 = 0x1fc8fde110

跳到內存中以后可以看到選中的這8byte是指向對象的指針，讓我們繼續跳到0x1fcad88390

這里我們可以看到MyClass實例的真面目了，選中的8byte是指向MethodTable的指針
后面分別是指向StringMember的指針和IntMember的內容
在這里指向ObjHeader的指針是一個空指針，這是正常的，微軟在代碼中有注釋This is often zero

這里是StringMember指向的內容，分別是指向MethodTable的指針，字符串長度和字符串內容

這里是MyClass的MethodTable，m_BaseSize是32
有興趣的可以去和MethodTable的成員一一對照，這里我就不跟下去了
讓我們再看下struct是怎么處理的

可以看到只是簡單的把值復制到了堆棧空間中（rbp是當前frame的堆棧基礎地址)
讓我們再來看下Console.WriteLine對於struct是怎么處理的，這里的處理相當有趣

因為需要裝箱，首先會要來一個箱子，箱子放在了rbp+30h

把MyStruct中的值復制到了箱子中，rax+8的8是把值復制到MethodTable之后

復制后，接下來把這個箱子傳給Console.WriteLine就和MyClass一樣了

另外再附一張實際查看ComponentSize的圖

彩蛋

看完了.Net中對Object的定義，讓我們再看下Python中隊Object的定義
源代碼: https://github.com/python/cpython/blob/master/Include/object.h

#define PyObject_HEAD PyObject ob_base; // 每個子類都需要把這個放在最開頭 typedef struct _object { #ifdef Py_TRACE_REFS struct _object *_ob_next; // Heap中的前一個對象 struct _object *_ob_prev; // Heap中的后一個對象 #endif Py_ssize_t ob_refcnt; // 引用計數 struct _typeobject *ob_type; // 指向類型信息 } PyObject;

定義不一樣，但是作用還是類似的

參考

寫在最后

因為是剛開始閱讀coreclr的代碼，如果有誤請在留言中指出
接下來有時間我將會着重閱讀和介紹這些內容

Object的生成和銷毀
Object繼承的原理(MethodTable)
Object同步的原理(ObjHeader, SyncBlock)
GC的工作方式
DACCESS

敬請期待

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